一种基于微波干涉的桥梁动挠度检测的方法及装置与流程

本发明属于桥梁检测技术领域，具体涉及一种基于微波干涉的桥梁动挠度检测的方法及装置。

背景技术：

随着高速铁路的发展，我国高铁的运营里程已达两万公里。其中桥梁占线路比例平均约为54％。铁路桥梁运营期间，由于各种原因，会造成其不同程度的损伤和破坏。为了保证既有铁路桥梁的安全运营，并尽可能延长其使用年限，需要一种高频率，高精度的技术手段检测梁体过载时的动挠度量，进而对其健康状态和安全性进行分析和评估。

目前用于铁路桥梁动态动挠度检测的技术分为接触式方法和非接触式方法。接触式方法可以获取较高的精度，如加速度计、激光干涉仪、位移计和LVDT等传感器，但是其需要固定在铁路桥梁的检测位置，尤其是位于道路、河流和沟渠等之上的铁路桥梁，无疑会增加铁路桥梁动态动挠度检测的难度。为了克服接触式传感器的缺点，非接触式方法已经成为桥梁动态动挠度检测的热点，主要包括激光、GPS、视觉检测和地基干涉雷达。

激光是一种高精度检测位移变化的技术，精度可达0.1mm，但是其设备昂贵，且不能获取垂直于激光束的位移变化。GPS用于大型柔性结构物(例如悬索桥)的动态位移检测比较适宜，但由于其误差与位移值几乎是同数量级，并不适用于位移变化较小的钢筋混凝土结构物的动态形变检测，且采样频率一般低于20Hz，另外随机噪声和多路径效应增加了数据分析的难度。视觉检测是另外一种有效的非接触检测手段，其主要采用高速相机、同步控制器、高速采集卡和人工目标点等构成，尽管其相对精度可以达到1:10000，但是海量数据处理和控制网布设的复杂性大大降低了效率。总之，传统动挠度检测技术的检测范围小、检测距离短、精度低、受环境影响大。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是如何提高桥梁动挠度的检测精度。

针对这一技术问题，本发明提供了一种基于微波干涉的桥梁动挠度检测的方法，包括：

S1：获取微波干涉检测系统对待检测的桥梁检测过程中的几何特征参数，以及本次检测时的大气干温、大气水蒸气分压力和大气干空气分压力；

S2：根据所述大气干温、大气水蒸气分压力和大气干空气分压力计算本次检测时的大气折射率；

S3：根据所述大气折射率和所述几何特征参数，采用桥梁动挠度改正模型计算本次检测的所述桥梁的动挠度；

其中，所述几何特征参数包括所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁下表面所在平面的距离、以及至少一次检测得到的所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁上的待检测点之间的径向距离。

可选地，所述步骤S2包括：

按照公式计算本次检测时的所述大气折射率；

其中，n表示所述大气折射率，t表示所述大气干温，p_d表示所述大气干空气分压力，p_w表示所述大气水蒸气分压力。

可选地，所述步骤S3包括：

获取所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁的下表面所在平面的距离，以及至少一次检测得到的所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁上的待检测点之间的径向距离；

按照公式计算所述待检测点在垂直所述桥面下表面的方向上，偏离平行于所述桥面下表面的参考平面的距离，作为本次检测时的所述桥梁的动挠度；

其中，d_i表示本次检测时的所述桥梁的动挠度，R_i表示第i次检测得到的径向距离，R_i-1表示第i-1次检测得到的径向距离，n表示所述大气折射率，h表示微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁的下表面所在平面的距离。

可选地，所述桥梁下表面平行于所述桥梁上的路面所在的平面。

可选地，所述参考平面平行于所述桥梁下表面，且与所述桥梁下表面的之间的距离等于其与所述路面所在平面之间的距离；

所述待检测点位于所述参考平面内。

另一方面，本发明还提供了一种基于微波干涉的桥梁动挠度检测的装置，包括：

获取模块，用于获取干涉检测系统对待检测的桥梁检测过程中的几何特征参数，以及本次检测时的大气干温、大气水蒸气分压力和大气干空气分压力；

计算模块，用于根据所述大气干温、大气水蒸气分压力和大气干空气分压力计算本次检测时的大气折射率；

处理模块，用于根据所述大气折射率和所述几何特征参数，采用桥梁动挠度改正模型计算本次检测的所述桥梁的动挠度；

其中，所述几何特征参数包括所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁下表面所在平面的距离、以及至少一次检测得到的所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁上的待检测点之间的径向距离。

可选地，所述计算模块用于按照公式计算本次检测时的所述大气折射率；

其中，n表示所述大气折射率，t表示所述大气干温，p_d表示所述大气干空气分压力，p_w表示所述大气水蒸气分压力。

可选地，所述处理模块包括：

获取单元，用于获取所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁的下表面所在平面的距离，以及至少一次检测得到的所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁上的待检测点之间的径向距离；

计算单元，用于按照公式计算所述待检测点在垂直所述桥面下表面的方向上，偏离平行于所述桥面下表面的参考平面的距离，作为本次检测时的所述桥梁的动挠度；

其中，d_i表示本次检测时的所述桥梁的动挠度，R_i表示第i次检测得到的径向距离，R_i-1表示第i-1次检测得到的径向距离，n表示所述大气折射率，h表示所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁的下表面所在平面的距离。

可选地，所述桥梁下表面平行于所述桥梁上的路面所在的平面。

可选地，所述参考平面平行于所述桥梁下表面，且与所述桥梁下表面的之间的距离等于其与所述路面所在平面之间的距离；

所述待检测点位于所述参考平面内。

本发明提供的了一种基于微波干涉的桥梁动挠度检测的方法及装置中，该方法考虑到微波在大气传播过程中会受到温度、湿度、大气压力等环境因素的影响，对大气干温、大气水蒸气分压力和大气干空气分压力分别进行检测，并由此确定大气折射率。根据由此确定的大气折射率，以及检测过程中微波干涉仪和桥梁之间的几何位置关系确定的几何特征参数，计算出桥梁的动挠度。这种方法避免了由于季节和时间的差异，温度、湿度、大气压力等环境因素对地面微波干涉检测精度的影响，提高了桥梁动挠度的检测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例提供的基于微波干涉的桥梁动挠度检测的方法的流程示意图；

图2是本发明一个实施例提供的桥梁的下表面、待检测点、参考平面所在位置的示意图；

图3是本发明一个实施例提供的基于微波干涉的桥梁动挠度检测的装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本实施例提供的基于微波干涉的桥梁动挠度检测的方法的流程示意图，参见图1，该方法包括：

S1：获取微波干涉检测系统对待检测的桥梁检测过程中的几何特征参数，以及本次检测时的大气干温、大气水蒸气分压力和大气干空气分压力；

S2：根据所述大气干温、大气水蒸气分压力和大气干空气分压力计算本次检测时的大气折射率；

S3：根据所述大气折射率和所述几何特征参数，采用桥梁动挠度改正模型计算本次检测的所述桥梁的动挠度；

其中，所述几何特征参数包括所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁下表面所在平面的距离、以及至少一次检测得到的微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁上的待检测点之间的径向距离。

需要说明的是，微波干涉检测系统的雷达的中心点指的是雷达的天线上发射电磁波的发射点，或者是雷达上用于接收电磁波的接收盘的几何中心。

待检测点位于桥梁上的路面所在平面和桥梁下表面所在平面之间。

动挠度指的是待检测点在垂直于路面所在平面的方向上偏移预先规定的一个参考平面或者参考点的偏移距离。对应一个待检测点，每次检测均能得到一个动挠度，因此，可以对待检测点进行多次检测，求出得到的所有动挠度的平均值作为该桥梁的动挠度，或者，也可以在桥梁上选取多个点作为待监测点，同时检测这些待监测点的动挠度，最后通过平均值的算法得到一个数值，作为该桥梁的动挠度。

在本实施例中，由于地面微波干涉检测的工作雷达发射的信号是一种位于Ku-波段的电磁波，其在大气传播过程中会受到温度、湿度、大气压力等环境因素的影响，引起电磁波信号的传播延迟和传播路径的弯曲，降低地面微波干涉检测的精度。而在长周期的铁路桥梁动挠度检测过程中，由于季节和时间的差异，温度、湿度、大气压力等环境因素对地面微波干涉检测精度的影响将进一步加大。通过本实施例的测量方法可以解决传统动挠度检测技术的检测范围小、检测距离短、精度低、受环境影响等诸多问题。

本发明提供的了一种基于微波干涉的桥梁动挠度检测的方法，该方法考虑到微波在大气传播过程中会受到温度、湿度、大气压力等环境因素的影响，对大气干温、大气水蒸气分压力和大气干空气分压力分别进行检测，并由此确定大气折射率。根据由此确定的大气折射率，以及检测过程中微波干涉仪和桥梁之间的几何位置关系确定的几何特征参数，计算出桥梁的动挠度。这种方法避免了由于季节和时间的差异，温度、湿度、大气压力等环境因素对地面微波干涉检测精度的影响，提高了桥梁动挠度的检测精度。

进一步地，所述步骤S2包括：

按照公式计算本次检测时的所述大气折射率；

其中，n表示所述大气折射率，t表示所述大气干温，p_d表示所述大气干空气分压力，p_w表示所述大气水蒸气分压力。

本实施例综合考虑了大气干温、大气水蒸气分压力和大气干空气分压力对大气折射率的影响。

进一步地，所述步骤S3包括：

获取所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁的下表面所在平面的距离，以及至少一次检测得到的所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁上的待检测点之间的径向距离；

按照公式计算所述待检测点在垂直所述桥面下表面的方向上，偏离平行于所述桥面下表面的参考平面的距离，作为本次检测时的所述桥梁的动挠度；

其中，d_i表示本次检测时的所述桥梁的动挠度，R_i表示第i次检测得到的径向距离，R_i-1表示第i-1次检测得到的径向距离，n表示所述大气折射率，h表示所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁的下表面所在平面的距离。

需要说明的是，参考平面是用于表征待检测点偏移程度的平面，可以是如图2中所示的位于桥梁的路面所在平面202和桥梁下表面201中间，且距二者距离相等的位置，也可以是与路面所在平面202或者桥梁下表面201平行的其它平面，只要能够作为参考表征待检测点204的偏移距离即可。待检测点204位于桥梁上处于桥梁的路面所在平面202和桥梁下表面201之间的任意位置，例如，如图2所示，待检测点204位于参考平面203内。

进一步地，所述桥梁下表面平行于所述桥梁上的路面所在的平面。

进一步地，所述参考平面平行于所述桥梁下表面，且与所述桥梁下表面的之间的距离等于其与所述路面所在平面之间的距离；

所述待检测点位于所述参考平面内。

参见图2，桥梁上的路面所在的平面为202，桥梁下表面指的是和路面所在的平面202平行的平面201，通常桥梁下表面201过桥柱或者桥台的上表面。参考平面203平行于桥梁下表面201，且与桥梁下表面201之间的距离等于其与路面所在平面202之间的距离。待检测测点204位于参考平面203内。

本发明所述的一种用于地面微波干涉测量长周期铁路桥梁动挠度监测的大气参数改正方法还具有以下有益效果：简化的最佳加权平均系数的大气参数改正经验模型具有±1×10^-7的精度，远远满足地面微波干涉测量桥梁动挠度监测大气参数改正的精度要求。本发明简化的最佳加权平均系数的大气参数改正经验模型(以上实施例中采用大气干温、大气水蒸气分压力和大气干空气分压力计算大气折射率的过程)，仅考虑影响大气折射率的三个重要因素，降低了大气数据采集时的难度，在保证测量精度的前提下，大大提高了铁路桥梁动挠度监测的效率。综合考虑大气折射率和仪器布设参数的影响，通过构建的铁路桥梁动挠度改正模型，可以大大消除地面微波干涉测量在不同季节和不同时间的大气参数和仪器布设参数(以上实施例中的几何特征参数)的影响，提高动挠度监测的精度，为铁路桥梁的健康状态和安全性分析和评估提供准确的数据支持。

图3是本实施例提供的基于微波干涉的桥梁动挠度检测的装置300的结构框图，参见图3，该基于微波干涉的桥梁动挠度检测的装置300包括获取模块301、计算模块302和处理模块303；

获取模块301，用于获取干涉检测系统对待检测的桥梁检测过程中的几何特征参数，以及本次检测时的大气干温、大气水蒸气分压力和大气干空气分压力；

计算模块302，用于根据所述大气干温、大气水蒸气分压力和大气干空气分压力计算本次检测时的大气折射率；

处理模块303，用于根据所述大气折射率和所述几何特征参数，采用桥梁动挠度改正模型计算本次检测的所述桥梁的动挠度；

其中，所述几何特征参数包括所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁下表面所在平面的距离、以及至少一次检测得到的所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁上的待检测点之间的径向距离。

本实施例提供的基于微波干涉的桥梁动挠度检测的装置300适用于以上实施例中所述的基于微波干涉的桥梁动挠度检测的方法，在此不再赘述。、

本实施例提供的基于微波干涉的桥梁动挠度检测的装置300中，考虑到微波在大气传播过程中会受到温度、湿度、大气压力等环境因素的影响，获取模块301大气干温、大气水蒸气分压力和大气干空气分压力分别进行检测，计算模块302由此确定大气折射率。处理模块303根据由此确定的大气折射率，以及检测过程中微波干涉仪和桥梁之间的几何位置关系确定的几何特征参数，计算出桥梁的动挠度。这种方法避免了由于季节和时间的差异，温度、湿度、大气压力等环境因素对地面微波干涉检测精度的影响，提高了桥梁动挠度的检测精度。

进一步地，所述计算模块用于按照公式计算本次检测时的所述大气折射率；

其中，n表示所述大气折射率，t表示所述大气干温，p_d表示所述大气干空气分压力，p_w表示所述大气水蒸气分压力。

进一步地，所述处理模块包括：

获取单元，用于获取所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁的下表面所在平面的距离，以及至少一次检测得到的所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁上的待检测点之间的径向距离；

计算单元，用于按照公式计算所述待检测点在垂直所述桥面下表面的方向上，偏离平行于所述桥面下表面的参考平面的距离，作为本次检测时的所述桥梁的动挠度；

其中，d_i表示本次检测时的所述桥梁的动挠度，R_i表示第i次检测得到的径向距离，R_i-1表示第i-1次检测得到的径向距离，n表示所述大气折射率，h表示所述微波干涉检测系统的雷达的中心点到所述桥梁的下表面所在平面的距离。

进一步地，所述桥梁下表面平行于所述桥梁上的路面所在的平面。

进一步地，所述参考平面平行于所述桥梁下表面，且与所述桥梁下表面的之间的距离等于其与所述路面所在平面之间的距离；

所述待检测点位于所述参考平面内。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。